Verpackungsprozesse – flexible Maschine mit Servoantrieb

Verpackungsprozesse sind komplex: Maschinen müssen automatisch bestückt werden, sowohl mit Verpackungsmaterial als auch mit den zu verpackenden Produkten. Bis fertige Gebinde die Maschine verlassen, muss die eingesetzte Automatisierung im wahrsten Sinne nahtlos ineinander greifen: Die Abläufe beim Handling und dem eigentlichen Packvorgang verlangen nach vielen leistungsfähigen Servoachsen, die oft auch noch reibungslos mit Pick-and-Place-Robotik zusammenarbeiten müssen.

Verpackungsprozesse zentral steuern

Praxisgerecht wird es dann, wenn sich die unterschiedlichen Komponenten über einen gemeinsamen Controller ansteuern lassen. Der Programmierer kann sich dann ganz auf die Anwendung konzentrieren und braucht sich nicht mit der zugrunde liegenden Technik der unterschiedlichen Systeme auseinanderzusetzen.

Wirklich vielseitig

Esatec, ein französischer Verpackungsmaschinenbauer, hat mit der Turbomailing eine besonders flexible Anlage entwickelt, die nahezu alle Arten von starren und weichen Produkten, egal ob vorgeschnitten oder von der Rolle, auf beliebige Träger oder Kartonplatten platzieren, kleben und die Gebinde anschließend falten kann: Parfüm- oder Kosmetikproben, Geschenkkarten oder Bluerays, DVDs sowie Beutel für Pulver, Flüssigkeiten oder Lebensmittel, kann diese Verpackungsmaschine verarbeiten.

A2C, die Muttergesellschaft von Esatec hat in ihrem Werk in Puymoyen bei Angoulême bereits eine solche Turbomailing-Verpackungsmaschine im Einsatz. Das Unternehmen ist spezialisiert auf Verpackungsprozesse für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie und kann sich mit seinem flexiblen Maschinenpark schnell auf unterschiedlichste Kundenanforderungen einstellen.

Kosmetikproben individuell verpackt

Mit der neuen Esatec-Maschine werden in Puymoyen unter anderem Kosmetik- und Parfümproben individuell für Werbeaktionen verpackt. Verschiedene Betriebsmodi erlauben es, bis zu drei unterschiedliche Pröbchen auf einem Träger unterzubringen und gegebenenfalls auch noch mit Beipackzetteln zu kombinieren. Dazu laufen Proben und Träger zunächst über ein Förderband in die Maschine und ein Friktionsanleger in der Bestückungsstation bringt sie in Position. Ein vierachsiger Deltaroboter und eine weitere 5-achsige, patentierte Pick-and-Place-Einheit platzieren die Proben auf den Träger, der nun doppelt oder dreifach gefaltet wird.

Je nach Produktspezifikation entstehen auf diese Weise pro Stunde rund 6.000 bis 10.000 Verpackungseinheiten. Das heißt die Zykluszeiten der Verpackungsprozesse sind ausgesprochen kurz und reaktionsschnelle Antriebe gefragt. Sowohl bei der Robotik als auch bei den Servoachsen fiel die Wahl gleich aus mehreren Gründen auf Komponenten von Yaskawa.

Per Pick-and-Place schnell bestückt

Der in der Verpackungsmaschine eingesetzte D4-Delta-Roboter von Codian Robotics ist mit seinen vier präzise gesteuerten Achsen für Pick-and-Place-Anwendungen geradezu prädestiniert, denn er kann selbst kleinste Produkte auf engem Raum schnell und auf den Millimeter genau mit einer Reproduzierbarkeit von 0,1 Millimetern positionieren.

Während sich die zweite Pick-and-Place-Einheit eher für flache Objekte eignet, spielt die Produktform für diesen Roboter keine Rolle. Ausgestattet mit einem Kamera-Vision-System nimmt der Delta-Roboter beliebig geformte Elemente auf, die der Friktionsförderer anliefert.

Alle anderen Antriebsaufgaben bei der Bestückung und Verpackung der Kosmetik- und Parfümproben übernehmen Servoantriebe der Sigma-7-Serie von Yaskawa. Zwei dieser Servoachsen treiben das Hauptförderband an, zwei weitere sorgen am Friktionsförderer für einen präzise kontrollierbaren Produktabstand, die fünf Achsen der patentierten Pick-and-Place-Einheit werden ebenfalls von diesen Antrieben bewegt und eine Sigma-7-Servoachse ist in der Falteinheit verbaut.

Hohe Leistungsdichte für optimale Verpackungsprozesse

Bei der Entwicklung der Servoantriebe dieser Serie standen Eigenschaften wie schnelle Inbetriebnahme, hohe Produktionsleistung und maximale Betriebssicherheit im Vordergrund, von denen die Konstrukteure der Verpackungsmaschine profitierten können.

Hinzu kam die große Auswahl. Die reaktionsschnellen AC-Servomotoren decken bei Versorgungsspannungen von 200 beziehungsweise 400 Volt Leistungen von 50 Watt bis 15 Kilowatt ab und überzeugen mit kompakten Abmessungen und ruhigen Lauf. Zur Serie gehören schmale Einzel- und Doppelachs-Verstärkermodule in platzsparender Bauform, die sich im Schaltschrank lückenlos aneinanderreihen und optional per Daisy-Chain unkompliziert verdrahten lassen. Das reduziert auch den Installationsaufwand. Hinzu kommt ein weiterer Platzvorteil: Bei Umgebungstemperaturen zwischen -5 und +55 Grad Celsius ist keine Zusatzkühlung erforderlich.

Die Servos überzeugen durch hohe Auflösung (integrierter 24-bit Absolut-Encoder), hohe Dynamik und Funktionen wie Vibrationsunterdrückung, Ausblendung von Maschinen-Resonanzfrequenzen und Tuningless-Funktion für die einfache Inbetriebnahme.

Für Servoantriebe und Roboter

Die Voraussetzung dafür, dass sich Servoachsen und Deltaroboter über einen einzigen Controller ansteuern lassen, schafft die in der Turbomailing eingesetzten Maschinen-Kompaktsteuerung MP3300iec RBT von Yaskawa. Der Antriebstechniker hat sie dem französischen Verpackungsmaschinenspezialisten empfohlen, vor allem wegen der einheitlichen Anwendungsprogrammierung über ein einziges Softwaretool mit Standard-PLCopen- und Yaskawa-spezifischen Funktionsblöcken, die kostenlos verfügbar sind und so die Anlagen-Programmierung für Verpackungsprozesses deutlich erleichtern.

Zum Funktionsumfang gehören zudem die Integration der Visualisierung, die Einbindung von Kamerasystemen, das Conveyor-Tracking (Fördererverfolgung), eine Group Toolbox zur Unterstützung von G-Code und viele weitere Features. Die Maschinenbauer können mit dieser Lösung sogar Roboter implementieren, ohne dass dafür eigens ein Programmiergerät (Teachbox) oder eine proprietäre Roboterprogrammiersprache erforderlich ist.

Der Bewegungsablauf der einzelnen Achsen des Roboters wird in der Firmware des Controllers berechnet und an die Robotersteuerung übertragen. Der Programmierer kann sich damit ganz auf die Applikation konzentrieren, ohne sich um die zugrundeliegende komplexe Technik kümmern zu müssen.

Auch die Servoachsen lassen sich in der gleichen Softwareumgebung programmieren. Mit dem Echtzeit Ethernet-Bus Mechatrolink III sorgt die Kompaktsteuerung für die einfache Synchronisierung von Robotern und Servoachsen. Vor allem in Verbindung mit den Sigma-7-Servosystemen spielt der Motion Controller seine Stärken aus.

Auf diese Weise lassen sich bis zu 62 reelle und 2 virtuelle Achsen ansteuern. Die Servosysteme stellen dem Controller hierbei neben Prozessdaten auch Statusinformationen etwa für eine Schwingungsanalyse zur Verfügung. Die Daten lassen so Rückschlüsse auf den Zustand der Gesamtanlage zu und ermöglichen eine effiziente Wartungsplanung.

Der Autor Christophe Le Gallic ist Market Manager Packaging bei Yaskawa, Autorin Ellen-Christine Reiff, M.A. ist tätig beim Redaktionsbüro Stutensee.

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